专利名称：柔性联接套筒以及装有该套筒的柔性联轴节的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于套筒型柔性联轴节中的柔性联接套筒(couplingsleeve)，并涉及装有这种套筒的柔性联轴节装置。
背景技术：
用作套筒型柔性联轴节的柔性联接套筒通常包括中央环状部分即通常为圆筒形部分和位于圆筒形部分任一端的联接接受部分。每个联接接受部分包括多个沿套筒至少部分内圆周面上轴向延伸的、供与转轮体或端联接体上相对应配置的槽相啮合的肋或齿，以形成柔性联接。这类联轴器用来联接与两个端联接体相联接的两个旋转轴。套筒型柔性联轴节可用来调节联接在一起的两个联轴节使它们相一致，并可借助其柔性圆筒部分和齿的弹性实现两联轴节间的低噪声传动联接。一种联接的组件(如传动部件)包括在键状驱动轴、类似的从动轴以及沿轴向运行联接两个轴并实施传动以在它们之间传输功率的联轴节。各种套筒型柔性联轴节和用于联轴节的联接套筒的说明已公布在英国专利879493，美国专利2918809(Miller)和6283868(Clarke等人)中。
在套筒型柔性联轴节中，传动器轴的扭矩沿套筒体的长度传递至从动轴，从而使从动轴旋转，这会导致联轴节中央圆筒状部分扭转，因此，处于径向力作用下的联接套筒必须抵抗该径向力以阻止套筒扩张而避免不能正常工作，特别是在高速和/或改变转速的使用场合中常会引起早期联接失效。为此已经采用的方法包括用高弹性抗张帘线对由硫化合成橡胶形成的联接套筒的中央圆筒部分进行加强；或者在套筒内形成齿状体以便与转轮体或端联接体上对应的槽实施机械联锁，从而阻止套筒扩张而与槽脱离。此外，还必需形成在预期应用中能充分地抵抗圆周剪应力的联轴节装置，从而能防止联轴节的最弱点即套筒的齿状体过早地遭破坏。为此已经采用的方法包括对联接套筒的硫化合成橡胶齿状体部分进行包覆并使外部端连接体与耐磨织物包套相啮合，以改善整个套筒齿状体的回弹性能。
由改进了热稳定性的聚氨酯/脲组合物形成的动力传送带可从International Patent Application Publication WO 96/02584(Wu等)中获知。WO 96/02584公开的聚氨酯/脲组合物的应用领域只限于动力传动带例如同步带，多V形瓦楞带和V形带，这些传动带是包含织物增强构件(例如抗张帘线)和聚氨酯/脲柔性部分的复合材料制品。而且，这类带的使用要求具有一组工作特性的例如在高应变条件下的高耐挠曲疲劳性和高动力传动性能的柔性部件。而通常柔性套筒型联轴节的使用要求一组不同的工作性能，例如在高和/或可变应力条件下的扭矩传动性能，其以在高和/或可变的振幅和频率下为其特征。
此外，近年来已经出现汽车技术的创新，其中包括例如在辅助传动应用方面，部分由于发动机舱越来越小，为联轴节在直接传动结构中的应用创造了机会。但是这类使用场合的特征在于极高的转速例如18000-20000转/分钟或者甚至更高，频繁转速变化，并要求高的加速特性和较宽的工作温度范围例如-40～140℃。就这一极宽的温度范围来说，需要一种具有良好的加速和转速特性，高的耐久性、可靠性和对温度稳定的柔性联轴器。
因此，高度希望能经济地制造出这种耐久、可靠及任选地对温度稳定的联接套筒和装有该套筒的套筒型柔性联轴节。
发明内容
本发明提供一种用于套筒型柔性联轴节中的联接套筒，该套筒包括具有内圆周面和外圆周面的通常为圆筒形的筒体部分和沿长度方向从第一套筒端延伸至对向的第二套筒端的两个分别规定了联接接受部分的套筒端部，联接接受部分各包括多个在至少部分内圆周面上每隔一定距离沿圆周排列的轴向延伸的齿状体，其中圆筒形筒体部分和联接接受部分中至少一个部分包含聚氨酯或聚氨酯/脲弹性体组合物。
在再一个实施方案中，提供的套筒型柔性联接组件包括如上所述的联接套筒，还包括至少一个具有与柔性套筒联接接受部分上供啮合的齿状体呈互补的凹槽的端联接部件，每个端联接部件啮合在联接接受部分，用以进一步啮合驱动轴和从动轴之一。
本文中附图是本说明书的一部分，用来图解说明本发明各个实施方案，附图与文字说明一起用来说明本发明的原理。在各个附图中，相同的数字表明是相同的部件。
图1是根据本发明实施方案的包括联接套筒的柔性联轴节的透视图；图2是图1所示的柔性联轴节装置的分解透视图；图3是以柔性联轴节装置形态的本发明再一个实施方案的透视图；图4是图3所示的本发明实施方案的分解透视图；图5是图1和图2所示柔性联接套筒的A-A线截面的齿状体部分截面图；以及图6是图3和图4所示柔性联接套筒的B-B线截面的齿状体部分截面图。
具体实施例方式
根据本发明实施方案的柔性联轴节装置10如图1和2所示，其中该联轴节装置10包括两个相对配置的端联接部件12，14，相对配置在端联接部件上的轴16，18或者可通过任何适当方式相啮合的一个或多个其它装置。该联轴节装置10还包括具有中央一般圆筒体部分44和位于筒体两端36，38之一的联接接受部分20，22的柔性联接套筒24。端联接部件12，14可通过任何适当方式与套筒24的联接接受部分20，22相连接。联接接受部分20，22包括在联接套筒24的至少部分内圆周面28上每隔一定距离沿圆周排列的、轴向延伸的肋或齿状体26，所形成的齿状体26适合与端联接部件12，14的外表面32，32′上的互补槽30，30′相啮合。
作为进一步说明的图3、4和6所示的本发明实施方案中，套筒24还可包括沿套筒内圆周28作为任选构件的一般耐磨织物包套25，该织物包套如上述美国专利6283868中所述可粘合在至少部分齿状体26上，该专利关于包套织物的类型和/或形态的内容已列入本文供参考，这在技术上是众所周知的，该包套可用任何适宜的纺织材料，其中包括尼龙(尼龙6，6和尼龙6，12)，芳族聚酰胺，聚酯，或两种或多种这类材料的组合材料制成。该任选的织物包套可以是包括平纹、斜纹或缎纹的伸缩或非伸缩形态在内的任何适宜的织造织物或针织织物。织物的特征在于例如织物重量为约25与约500克/平方米之间，或为约50与约300克/平方米之间，并可任选地用适宜的橡胶基胶浆或其它适用的粘合剂处理以达到与联接套筒用基本胶料相容。
作为进一步说明的图3、4和6所示的本发明实施方案中，联接套筒24还可包括作为任选构件的如美国专利6283868中所述的以螺旋形卷绕在内圆周面28或套筒体24内的增强抗张构件62，该专利关于增强抗张构件的类型和/或形态的内容已列入本文中供参考。该任选的增强抗张构件62可用包括玻璃，芳族聚酰胺，棉花和尼龙在内的任何适宜的材料制成。当采用这种抗张构件时，可用任何适宜的材料如芳族聚酰胺纤维(包括间或对芳族聚酰胺)，聚酯纤维，聚酰胺纤维，纤维素纤维(如人造丝)，碳纤维，丙烯酸类纤维，聚氨酯纤维，棉纤维，金属纤维(如钢纤维)和玻璃纤维，以及这类纤维的混合物来制造，而优选用玻璃纤维来制造。此外，该抗张构件还可呈任何常规或适用的形态，包括抗应变帘线。纤维的制备方式可为制成约2-约100绞/英寸(0.8-39绞/厘米)，更优选约5-约80绞/英寸(2-32绞/厘米)，而最优选为约8-约56绞/英寸(3-22绞/厘米)的绞合结构。
作为进一步说明的图3、4和6所示的本发明实施方案中，构成联接套筒的组合物(下面将详细说明)还可包括作为任选特征的，如上述美国专利6283868所述的纤维60，该专利关于纤维60的类型和/或形态的内容已列入本文供参考。通常可用于该组合物的纤维包括芳族聚酰胺纤维(如间或对芳族聚酰胺纤维)，聚酯纤维，聚酰胺纤维，纤维素纤维(如人造丝)，碳纤维，丙烯酸类纤维，聚氨酯纤维，棉纤维和玻璃纤维，以及它们的混合物。采用的纤维可具有任何适宜长度，例如约0.1-约10毫米，并可任选地经打浆以提高纤维的表面积。或者，纤维长度可为约0.2-约7.5毫米，或约0.5-约3毫米。该任选纤维还可用技术上已知方法进行处理以提高与聚氨酯的粘合性。该纤维还可进行机械原纤化和/或与适合的间苯二酚甲醛胶乳材料相混合和/或与其它适用的、与形成柔性联接套筒使用的胶料相容的粘合剂体系相混合。当采用纤维填充时，其用量可根据应用场合和所用填充材料的具体类型来确定，例如每100份弹性体为约0-约50重量份(“phr”)，或约1-约30phr或为约1-约10phr。
图5所示的是图1和2展示的本发明实施方案的传统梯形肋或梯形齿的外形，其特征在于肋或齿状体26具有直的但倾斜的侧边31以及大约40度的夹角。根据本发明的联接套筒可具有呈任何常规和/或适用齿状体外形，如图1和2所示的呈梯形或曲线形的齿状体等。
本发明包括联接套筒24的柔性联轴节装置10的再一个实施方案的透视图如图3、4和6所示。该装置10包括含基本上柔性的一般在中央的圆筒体部分44的柔性联接套筒24，以及两个相对配置的端联接部件12，14，两个相对配置的轴或其它装置(未画出，但是常规的)可通过任何适宜方式与其相啮合。如图1所示的实施方案，套筒24的长度从第一套筒端36延伸至第二套筒端38，套筒端36，38分别规定为与端联接部件12，14相啮合的联接接受部分20，22。套筒24具有内圆周面28和外圆周面54。联接接受部分20，22包括多个沿联接套筒24的至少部分内圆周面28排列的轴向延伸的肋或齿状体26。
在该说明性实施方案中，每个齿状体26具有在内圆周面28部分或弧上的圆周宽度65。端联接部件12，14具有如图所示的沿内圆周面轴向延伸的槽30，30′，形成这些槽是为了实际与联接接受部分20，22上的齿状体26相啮合。在该说明性实施方案中，每个齿26沿至少部分套筒体内圆周面28延伸，但不需要延伸跨越其内表面的长度全部，每个齿状体的面积通常是由其圆周宽度与有效轴长度规定的。齿状体面积总和或累积齿状体剪切面积决定了累积齿状体的剪切容量。该中央圆筒体部分44也决定了实质上是扭转的剪切容量。根据本发明的实施方案，累积齿状体剪切容量可能超过环状部分的扭转剪切容器，这对于发生联接失效模式来说较为有利。这一特征已经在美国专利6283868中详细说明，该专利关于本发明实施方案的这一特征的内容已列入本文供参考。
套筒24还可任选地包括如上所述任何一种或多种耐磨织物包覆层25，纤维填充物60以及增强帘线或其它抗张构件62。在该说明性实施方案及下面进一步的说明中，涉及适用于本发明一个或多个实施方案中具体使用的套筒24构成的具体材料，套筒24可能没有这种耐磨织物包覆层，纤维填充物以及增强帘线。
图4所示的本发明实施方案包括具有如图6中一般所示的曲线齿廓即轮廓线57的齿状体26。如美国专利6283868所述，有利的是在选择齿状体齿廓的构型时，要使齿状体截面的轮廓线由一系列连接的弧线59和切线61所确定，从而可提高扭矩传动容量最终结果。在图3、4和6所示的本发明实施方案中，槽宽度63的总和与齿宽度65总和之比低于约0.65∶1，或者为约0.5∶1-约0.1∶1，或者为约0.45∶1-约0.15∶1。这个比率在下文中提及为“槽/齿比”。如图6所示，与联接套筒齿状体26相交替排列的联接套筒槽63的宽度是从槽弧线与齿轮廓线相切点61测量的。
根据本发明的一方面，本发明的柔性联接套筒包括的至少其环状部分是由具有足够耐久性而能充当联轴器在运行时套筒的主要抗径向应力材料的聚氨酯或聚氨酯/脲弹性体组合物形成的。在本发明的一个或多个实施方案中，中央圆筒体部分和套筒的成齿部分是由相同的聚氨酯或聚氨酯/脲弹性体组合物整体成形的。根据本发明再一个实施方案，包括圆筒体部分和套筒成齿部分的套筒弹性体组合物具有足够的耐久性以便充当套筒主要的或甚至是唯一的抗径向应力元件，并充当套筒主要的或甚至是唯一的抗圆周剪切应力元件。因此，根据本发明一个或多个实施方案，套筒结构中甚至要求很严格的使用场合任选可不采用任何一种或全部附加增强结构例如抗张帘线62，纤维填充物60和织物包覆元件25，这样可降低本发明的柔性联轴节和联接套筒的制造成本。
相关的普通技术人员都容易知道，任何给定的联轴节的使用场合可能要求具有包括扭矩传动容量、振动和/或噪声衰减特性以及耐高和/或低温性能在内的一组不同的工作特性的联轴节装置，所有这些特性可预测该装置的使用寿命。由于在现今的设计中已要求这类联轴节的体积缩小，因此已提出不断提高联轴节的扭矩传动性能的要求。此外，虽然在汽车应用领域中，套筒型联轴节还有用于直接驱动结构中的机会，但这种联轴节会处在温度剧烈变化的环境中工作，并且要求联轴节除了在温度剧烈变化的环境下具有高的扭矩传动性能外，还应具有有利的衰减特性，这种要求妨碍了联轴节在这些系统中的广泛应用。
相关的普通技术人员都容易知道，聚氨酯和聚氨酯/脲弹性体组合物成分和/或它们的相关用量可根据情况加以选择，以使弹性体组合物在宽范围条件下都具有包括模量或刚度，耐高和/低温性以及柔韧性在内的综合性能。据目前认为，由根据本发明实施方案的聚氨酯或聚氨酯/脲弹性体或热塑性弹性体(这里总称为“弹性体”)组合物构成的联接套筒在多方面具有超过常规联接套筒的优点，详细说明于下。
作为能充分满足套筒型柔性联轴节应用所需运行特性例如扭矩传动性能和耐高、低温性的任何常规或适宜的聚氨酯或聚氨酯/脲弹性体组合物应认为都在本发明所考虑的范围之内。可用来实施本发明各种实施方案的聚氨酯弹性体组合物包括例如聚醚及聚酯的氨基甲酸酯，聚醚及聚酯的氨基甲酸酯/脲(下文中总称为“聚氨酯”)。可用来实施本发明实施方案的聚氨酯弹性体包括多异氰酸酯预聚物与多羟基化合物扩链剂或二胺扩链剂或两者的混合物的反应产物，可通过任何常规和/或适用的模塑工艺成形，还包括(但不受此限制)美国专利5231159(Patterson等人)和International Patent Application Publication WO96/02584(Wu等人)中所述的聚氨酯和聚氨酯/脲弹性体，上述专利中的有关内容已列入本文供参考。根据本发明实施方案的聚氨酯/脲弹性体具有温度高达约140℃～150℃的热稳定性和约-35℃～-40℃，甚至更低如-50℃或-60℃的低温柔软性。
适用于制备聚氨酯/脲弹性体的各种反应剂在技术上是已知的。在实施本发明的一个或多个实施方案中，适宜于制备多异氰酸酯预聚体的有机多异氰酸酯可具有下述特征对芳族化合物来说，具有紧密、对称的结构，或对脂族化合物来说，具有反式或反式，反式几何结构以改进所得弹性体的相分离效果；与胺基团具有高反应性，从而可在配方中减少或不再需要催化剂，催化剂一般还会加速弹性体在高温下的返硫。用作制备多异氰酸酯预聚物的原料成分的多异氰酸酯包括(但不受此限制)二苯甲烷-4，4′-二异氰酸酯(MDI)，以及紧密、对称的芳族二异氰酸酯，其中包括(但不受此限制)对苯二异氰酸酯(PPDI)、亚萘基-1，5-二异氰酸酯(NDI)以及2，4-和2，6-甲苯二异氰酸酯(2，4-TDI和2，6-TDI)。适用作制备多异氰酸酯预聚物的原料成分的多异氰酸酯还包括反式或反式，反式几何构型的脂族二异氰酸酯。这些异构体通常是纯的，即它们基本上不存在顺式构型的异构体，因此一旦硫化会促使最佳相分离。这些异构体包括(但不受此限制)反式1，4-环己烷二异氰酸酯(t-CHDI)和反式，反式-4，4′-二环己基甲基二异氰酸酯(t，t-HMDI)。
可用于制备本发明各实施方案中所用多异氰酸酯预聚物的多羟基化合物在技术上也是一般已知的。适用的多羟基化合物可以是任选地至高达150℃下仍不氧化的，包括(但不受此限制)聚酯多羟基化合物和聚碳酸酯多羟基化合物。聚醚多羟基化合物用在涉及高温场合的本发明实施方案中一般是不利的，因为它们在150℃容易发生氧化。聚硫醚多羟基化合物同样也不适宜在这类用途中使用，因为它们会使弹性体易于发生大分子基团偶联，因此在150℃是脆性的。
用于制备本发明各实施方案中适用的多异氰酸酯预聚物的聚酯多羟基化合物包括(但不受此限制)多元醇(包括二元醇，任选添加三元醇)与多元酸(如二元羧酸)的反应产物。相应的多元羧酸酐或相应的多元羧酸的低级醇酯或它们的混合物，和/或它们游离的多元羧酸对应物都可用来制备聚酯。多元羧酸可以是脂族的、脂环族的和/或芳族的多元羧酸。下面是非限制性多元羧酸的实例丁二酸，己二酸，辛二酸，壬二酸，癸二酸，邻苯二甲酸，间苯二甲酸，1，2，4-苯三酸，邻苯二甲酸酐，四氢邻苯二甲酸酐，六氢邻苯二甲酸酐，四氯邻苯二甲酸酐，桥亚甲基四氢邻苯二甲酸酐，戊二酸酐，富马酸，二聚和三聚脂肪酸，任选与单体脂肪酸、对苯二甲酸二甲酯和对苯二甲酸双二醇酯相混合。用于制备这类聚酯的适用多元醇包括(但不受此限制)乙二醇，1，2-和1，3-丙二醇，1，4-和2，3-丁二醇，1，6-己二醇，1，8-辛二醇，1，10-癸二醇，新戊二醇，1，4-环己烷二甲醇或1，4-双羟基甲基环己烷，2-甲基-1，3-丙二醇，丙三醇，三羟甲基丙烷，1，2，6-己三醇，1，2，4-丁三醇，三羟甲基乙烷，以及它们的混合物。内酯(如ε-己内酯等)的聚酯以及羟基羧酸(如ω-羟基己酸等)的聚酯也是可使用的。
适用的聚碳酸酯多羟基化合物是已知的并可通过例如诸如1，3-丙二醇，1，4-丁二醇，1，6-己二醇，1，10-癸二醇，新戊基二醇，二甘醇，三甘醇或四甘醇以及它们的混合物等的二元醇与碳酸二芳基酯(如碳酸二苯酯、碳酸二烷基酯)相反应或与光气相反应来制备。
可采用分子量范围为约500-约5000，或者为约1500-约2000的聚碳酸酯多羟基化合物与聚酯多羟基化合物，或这些多羟基化合物的混合物是有利的。这类多羟基化合物可包括聚(碳酸己二醇酯)二醇，聚己内酯二醇和聚(己二酸己二酯)二醇，以及它们的三醇对应物。多羟基化合物在与二异氰酸酯反应形成用于本发明实施方案的多异氰酸酯预聚物前可任选地进行干燥至含水量低于约0.03％或至约0.015％。
许多多异氰酸酯预聚物也是可商购的，并可用于实施一或多种本发明实施方案也是有利的，这类多异氰酸酯预聚物包括如美国专利6174984(Peter)，美国专利5703193(Rosenberg)、美国专利申请US2003/0065124(Rosenberg)及美国专利6046297(Rosenberg等人)中所述的那些，一般称为“低游离”的预聚物，在预聚物中游离二异氰酸酯量已降低至例如低于预聚物的1％或低于0.5％或低于0.25％如约0.1％或更低。正如上述WO 96/02584(Wu等)所指出的，当用例如PPDI代替MDI时，由于前者有较高的异氰酸酯反应性差异，因而可提高聚氨酯弹性体的热稳定性，这就可降低低聚物的形成并成比例地降低预聚物中游离二异氰酸酯的含量。因此，这样的预聚物能促进硬链段与软链段的更高相分离，从而提高制得的弹性体的热稳定性。
虽然二胺由于熔点较高通常比二醇扩链剂更难以处理，但二胺扩链剂可通过比对应的氨基甲酸酯更稳定的脲的键合而具有更高的热稳定性。适用于本发明各实施方案的二胺扩链剂，尤其是涉及在高温条件下使用的二胺，具有下述三个特征是有利的对称结构，以改善所得弹性体的相分离；在芳环上有非大体积取代基(如果存在这样的取代基)，以便不会妨碍制得的弹性体的硬链段结晶和全部相分离；与异氰酸酯基团有适宜的反应性，因此可在配方中减少或取消催化剂。可采用与上述具体的预聚物有适宜反应性的伯二胺扩链剂。
适用于制备本发明实施方案聚氨酯/脲弹性体的对称伯二胺扩链剂是那些能与多异氰酸酯预聚物迅速反应而不需催化剂的伯二胺扩链剂。此外，这种扩链剂还能使所得弹性体具有优良的动态性能。用于本发明实施方案的对称性扩链剂可改进其相分离，因此能提高成品聚氨酯/脲弹性体在动态应用中的热稳定性。适宜的伯二胺扩链剂包括(但不受此限制)分子量为约90-约500的对称芳族胺及它们的混合物。实例包括1，4-苯二胺，2，6-二氨基甲基，1，5-萘二胺，4，4′-二氨基二苯甲烷，3，3′-二甲基-4，4′-二氨基二苯甲烷，1-甲基-3，5-双(甲硫基)-2，6-二氨基苯，1-甲基-3，5-二乙基-2，6-二氨基苯，4，4′-亚甲基-双(3-氯-2，6-二乙基苯胺)，4，4′-亚甲基双(邻氯苯胺)，4，4′-亚甲基-双(2，3-二氯苯胺)，二对氨基苯甲酸三亚甲基二醇酯，4，4′-亚甲基-双(2，6-二乙基苯胺)，4，4′-亚甲基-双(2，6-二异丙基苯胺)，4，4′-亚甲基-双-(2-甲基-6-异丙基苯胺)，4，4′-二氨基二苯砜等。
为了改变弹性体特征如硬度，对称伯二胺扩链剂可任选地与少量仲二胺扩链剂相混合。适用的仲二胺扩链剂实例的分子量为约150-约500，其中包括(但不受此限制)N，N′-二仲丁基氨基苯和N，N′-二仲丁基氨基二苯甲烷。
也可使对称伯二胺扩链剂与一种或多种如上所述的多羟基化合物相混合并含于预聚物中，以改变方法和产物特征如混合比、加工温度、柔软性等。这些长链多羟基化合物并不起扩链剂作用，而起降低弹性体中硬链段量的作用，从而能降低其硬度。这对于某些应用来说可以是所希望的。多羟基化合物与对称伯二胺扩链剂的适宜重量比可为约30∶70-约60∶40，更优选为约40∶60-约50∶50。
在形成高温条件下使用的联轴节时，无论是以脂族还是以芳族短链羟基化合物作为实施本发明的扩链剂都是不利的，这是因为制得的弹性体中的氨基甲酸酯键在高温下是不稳定的，而且高温下使用时的动态性能也不符合要求。
用于实施本发明实施方案的聚氨酯/脲弹性体可通过技术上众所周知的任何适宜的或常规的方法包括经标准模塑工艺的两步(预聚物)法来制备。在预聚合物法的第一步，使多羟基化合物或多羟基化合物的混合物与多异氰酸酯相反应产生多异氰酸酯预聚合物。在第二步，使多异氰酸酯预聚物与扩链剂相反应以制成成品聚氨酯/脲弹性体。选择添加反应剂的顺序的关键要根据如上所述的原理，使低聚物生成量降至最低，但是，一般来说，形成高粘度的预聚物会使加工困难。在制备多异氰酸酯预聚物时选择反应剂的添加顺序还应如在技术上是众所周知的来考虑其它因素。例如，如果多羟基化合物组分加入到温度高于其熔点95℃的液态PPDI中，则会发生高度二聚合作用和PPDI的升华，这是已知的。根据需要，可在制备多异氰酸酯预聚物时可在其中加入少量稳定剂如苯甲酰氯。多异氰酸酯与多羟基化合物的混合比(在本发明一个或多个实施方案中以NCO/OH化学计量比表示)为约1.8∶1-约2.4∶1，对预聚物来说以PPDI计可以为约2∶1，以t，t-HMDI计可以为约2.2∶1。适用于本发明各实施方案中的多异氰酸酯预聚物可包含的异氰酸酯基团数量为约2.0-约12.0重量％NCO，或为约2.5-约7.0重量％NCO，或为约3.0-约6.0重量％NCO。
适用于实施本发明实施方案的多异氰酸酯预聚物可如聚氨酯/脲领域中已知的通过标准模塑工艺与扩链剂相反应。本发明的聚氨酯/脲弹性体可按照异氰酸酯与胺之当量比(“NCO∶NHx”)或与胺/羟基之当量比(“NCO∶NH2+OH”)为约0.90∶1-约1.40∶1或约1.00∶1-约1.25∶1。
根据本文提供的对本发明的各种实施方案的说明，相关本领域技术人员会知道，为了满足多种性能要求如载荷容量，衰减特征，耐高温和/或低温性能，可采用各种不同的聚氨酯组成以及不同用量来制备柔性联接套筒。例如，当采用表1实施例1和2中所列的组成和用量时可获得具有优良的耐高温特性的聚氨酯弹性体，从而可形成适应在汽车领域中甚至在极高和极低温度的极端环境中使用的高耐久性联接套筒，而对于一些涉及较低操作温度范围的如某些工业领域来说，可通过采用多种聚氨酯组分相混合例如非“低游离”的PPDI或2，4-TDI或2，6-TDI或MDI与适用的多羟基化合物、扩链剂相混合来形成耐较低温度但依然是高度耐久的联接套筒，从而实现节省成本。对于制造耐中等至较低温度但依然是高度耐久的联接套筒来说，可采用聚醚多羟基化合物。除二胺外，短链二元醇扩链剂也可应用于耐较低温度的应用中，例如1，4-丁二醇可用来与如购自Uniroyal Chemical的ADIPRENE LEP 2950A等预聚体固化以形成该类聚氨酯弹性体。此外，还可将适宜的热塑性聚氨酯弹性体用于例如在并不要求具有极端条件下热稳定性的预期领域中。
此外，相关本领域技术人员都知道，聚氨酯弹性体可成形为具有宽范围性能的制品，这些性能包括硬度或模量，柔韧性，承载能力，衰减特性以及耐高温和/或低温性能；为了使聚氨酯弹性体在形成联接套筒时具有符合要求的功能，通常要求弹性体具有最低的硬度和/或模量。因此，例如对于根据本发明的联接套筒来说，通常要求聚氨酯弹性体的模量按照ASTM D412(M100)在23℃的测定值为至少约800磅/平方英寸。根据本发明实施方案，采用具有M100为至少约900磅/平方英寸，或约1000-约2000磅/平方英寸的聚氨酯弹性体是有利的。
虽然不希望受任何特定理论所限制，但可认为，指定聚氨酯弹性体联接套筒的载荷容量通常与弹性体的硬度或模量成正比，而套筒的衰减性能一般与硬度或模量成反比。相关本领域技术人员都会知道，鉴于本发明公开内容，可通过对配制最佳聚氨酯弹性体供规定的预期用途如各种汽车的辅助传动用途所必需的聚氨酯弹性体的聚氨酯组分和/或它们的相对用量加以选择，来对这两项性能作一些精细的协调或调整。
用于实施本发明各实施方案的聚氨酯弹性体可与诸如颜料、着色剂、抗静电剂等以及技术上众所周知的和规定的联接用途所需的添加剂相混合。
据认为，在用于实施本发明的聚氨酯弹性体组合物中不添加如炭黑、二氧化硅等填料以及其它常规合成橡胶组合物中所添加的添加剂，更有助于套筒型联轴节达到优良的工作性能。据信，通常用于如二烯基弹性体的合成橡胶胶料中以提高胶料模量及相关性能的那些添加剂会导致聚氨酯组合物形成不完全的均相而在较大范围的连续相中存在至少一些离散的颗粒。这种颗粒的存在有可能成为弹性体组合物中发生龟裂的潜在起始点，也会使硫化的组合物在过度载荷和/或极端温度条件下发生破裂。聚氨酯弹性体组合物不需要这类添加剂，因此而能形成较均匀的材料，并发现对于实施本发明是极有利的。
下面将通过实施例对本发明作进一步的说明，但不是对本发明的限制，除非另有说明，所有份数和百分比都以重量计。在表1所列的每种情况，将聚氨酯预聚物保持在60～80℃，然后与其扩链剂相混合，(与此相关的混合比列于表1中)并在适当尺寸已预热至110℃的模具中，为了得到相应的聚氨酯/脲弹性体，在各组分熔点以上的温度实施硫化。在约10～30分钟内脱模得到弹性体试样，然后在150℃下后硫化24小时。
对上述聚氨酯/脲试样进行硬度试验(ASTM D-2240)和未老化试样的模量测定(ASTM D-412)。
表1
表1中PPDI/PCL-低游离的PPDI二官能聚己内酯预聚物ADIPRENELFP 2950A(购自Uniroyal Chemical)，TMAB-二对氨基苯甲酸亚丙基二醇酯VIBRACURE A157(购自Uniroyal Chemical)或VERSALINK 740M(购自Air Products andChemicals，Inc.)，MCDEA-4，4′-亚甲基-双-(3-氯-2，6-二乙基苯胺)LONZACUREMCDEA(购自Air Product and Chemicals，Inc.)。
在套筒型柔性联轴节运行过程中，驱动轴旋转将传动力作用在与其联接的端联接部件上，经端联接部件上的齿状体和套筒中对应的联接接受部分，到达套筒的中央圆筒体部分，引起圆筒体扭转，该扭矩沿套筒长度作用在对向位置上的联接接受部分的齿状体和对应的端联接部件上，最后到达从动轴，使从动轴旋转。该传动力可表示为径向应力分量和圆周剪切应力分量，径向应力分量在常规结构中通常是中央环状部分一些元件抵抗传动力的应力，而圆周剪切应力是由联接套筒上的齿状体的回弹力产生的抵抗传动力的应力。业已发现，根据本发明实施方案的柔性联接套筒的载荷容量超过了具有由硫化合成橡胶成形的套筒部分的常规联轴节。在本文中术语“载荷容量”是指该装置经得起或能抵抗使用时所受到的传动力的能力。于是本文中载荷容量包括抵抗扭矩传动、振幅和频率分量，以及径向应力和圆周剪切应力分量。
为了说明提高了载荷容量并由此能预期本发明的柔性联轴节的运行寿命会超过先有技术所设计的联轴节，为此，对根据本发明实施方案制备的柔性联轴节装置的样品进行载荷容量分析。按表1中实施例1和2所述的组合物整体成形两种不同尺寸的，齿状体齿廓构型如图4所示的联接套筒。第一个尺寸的套筒表示为“尺寸A”(下表2)，其尺寸包括外径为28.5毫米，筒壳厚(即从齿状体之间的齿背到套筒外表面的厚度)为2.57毫米，槽与齿比为约2.9，每个联接接受部分有12个齿状体，齿基宽约4.3毫米，齿高约2毫米。第二个尺寸的套筒表示为“尺寸B”(下表2)，其尺寸包括外径为约78.5毫米，筒壳厚为7毫米，槽与齿比为约2.2，每个联接接受部分有18个齿状体，齿基宽度约7.5毫米，齿高约3.4毫米。对于每种联接套筒来说，包括中央环状部分和具有齿状体的联接接受部分的成形套筒筒体，其由表2所列各聚氨酯组合物整体成形，即每种联接套筒结构中既没有抗张帘线，纤维填充物，也没有织物包套。
表2
对每种套筒进行载荷容量分析，分析结果说明如下。载荷容量分析是按Deutsch Industrie Norm(“DIN”)740中公布的方法，测定在循环的峰值扭矩(Nm)作用下至破坏的运行寿命。该分析是在约23℃室温下，频率为8-9赫的扭力脉动载荷试验机上进行。对于套筒I和II的分析涉及峰-峰扭矩振幅范围为约14与约34牛米之间，对套筒III的分析的峰-峰扭矩振幅范围为约130-约190牛米之间。
在30-34牛米峰值扭矩范围内，套筒1试样在破坏前能承受15000次与30000次之间的应力循环。在峰值扭矩约22牛米时，套筒I试样能经受500000次以上的应力循环，而在峰值扭矩为约18牛米时，套筒I试样在破坏前几乎达到600万次应力循环。更惊人的是，在峰值扭矩约30牛米时，套筒II达到超过二百万次应力循环。在峰值扭矩约160牛米时，在约23℃分析的套筒III试样超过107次应力循环还未破坏。
除了在室温下进行分析外，还在高温下对表2中所述的套筒I的若干联接套筒试样进行分析。使每一试样都经受相同的载荷容量分析，但试验温度范围50℃～130℃内，每增加10℃进行一次载荷容量分析。试验的峰值扭矩始终保持在24与28牛米之间，进行试验的这些套筒的载荷性能都在5×105与106次应力循环之间。此外，当在130℃下进行分析时，由基本上与上述实施例2相同，但在低游离PPDI/PCL预聚物中包含5重量％三官能聚己内酯多羟基化合物的聚氨酯弹性体组合物整体成形的尺寸A套筒，在峰值扭矩约28牛米下超过20万次应力循环时试样未被破坏，在峰值扭矩约25牛米时，超过二百万次应力循环时，试样仍未破坏。
从这些结果可以看出在脉动扭矩条件下的试验已清楚地表明，根据本发明各实施方案制备的柔性联接套筒具有优异的性能。上述试验结果显示，根据本发明各实施方案的联接套筒具有如此优异的载荷容量，甚至在较宽的操作温度范围内也是如此；如图2所示的本发明实施方案中所示，业已发现，除聚氨酯弹性体本身外，通常不需要例如抗张帘线或增强织物等增强材料就能经受住包括径向应力分量和圆周剪切应力分量的传动力，甚至在要求极严格的应用领域中，仍能保持极高的扭矩传动能力。当在根据本发明实施方案的联接套筒结构中采用上面实施例提供的耐高温聚氨酯弹性体组合物时，可以预期这种柔性联轴节将为汽车领域提供巨大的利益。
目前，还可以认为，在本发明一些实施方案的聚氨酯联接套筒中不采用织物增强材料即抗张帘线和织物包套的组合也会更有利于本发明实施方案的联接套筒和联轴节具有极高的耐久性，特别在极高载荷条件下的耐久性。特别是业已发现，一般导致联接失效的套筒失效开裂通常起始于套筒抗张帘线一织物包套的界面上。这一问题已在本发明实施方案中不再采用抗张帘线和织物包套的组合的那些聚氨酯联接套筒中得到解决。但在可硫化的合成橡胶成形的联接套筒中由于其模量较本发明聚氨酯弹性体低而一般不能不采用这些织物增强材料特性。
虽然在本发明说明性实施例中未采用增强材料如抗张帘线、纤维填料或织物包套，但这并不意味着本发明的范围受此限制，即意味着本发明的一个或多个实施方案的聚氨酯弹性体联接套筒的结构中可采用任何一种或全部的抗张帘线、纤维填料和织物包套或其它增强材料或任何两种或多种增强材料的组合来进一步提供抗径向和/或圆周剪切应力或进一步调整对于指定用途的联轴节的扭矩传动能力。因此，例如虽然上述实施例中已说明聚氨酯弹性体本身可为套筒提供主要的或唯一的抗径向和/或圆周剪切应力，但已经发现，利用如上述图3和4中所展示的抗张帘线可进一步提高联接套筒的载荷容量。
本发明的柔性联接套筒和联轴节装置可通过技术人员众所周知的适宜和/或常规方法来成形。对于联接套筒来说，聚氨酯或聚氨酯/脲基弹性体组合物可通过任何常规或适宜的技术来制造，例如通过一步法或两步法(预聚物)使较高分子量的多羟基化合物、较低分子量的扩链剂与多异氰酸酯相反应来制备。在制备弹性体时可将各反应组分与任何催化剂或任选添加的添加剂进行混合，并转移到适宜形状的模具中，使该配混料硫化。各反应组分的混合例如可分批地进行。混合物可在模具中硫化至能保持模具的形状，然后脱模，进行后硫化直到聚合完全。或者，可通过反应注塑技术(RIM)制备弹性体，其中含活性氢材料通常撞流(impingement)与多异氰酸酯迅速混合并同时注入适宜形状的模具中发生反应。相关的技术人员都知道，为将热塑性聚氨酯弹性体用于根据本发明实施方案中的联接套筒结构中，可通过使预形成的聚氨酯弹性体熔融，然后将熔体注射到适宜形状的模具中而将该材料制成套筒。
当套筒需配置任何一种或多种抗张帘线、织物包套和弹性体纤维填料时，可根据标准氨基甲酸酯平带成型技术来制造柔性联接套筒，例如其中任选地将预成形的耐磨织物包套置于齿形模腔中，将任选卷绕成螺旋状的增强帘线沿织物放入，如上所述，将聚氨酯弹性体组分导入模具中，充分加热和施压迫使弹性体组分混合物流过抗张帘线携带织物进入模槽中，然后使成形的柔性联接套筒冷却并从模具中取出。虽然不希望受任何特定的理论限制，但据认为，采用聚氨酯弹性体柔软部分和一种或多种织物增强材料的联接套筒与具有可硫化橡胶柔软部分的对照套筒相比，具有更高的粘着力，这是由于套筒成形时流过织物构件的是呈液态、低粘度的氨基甲酸酯混合物，而常规可硫化橡胶通常呈高粘度。这种粘着力的提高往往会进一步提高套筒的耐久性和使用寿命。
如上所述，不管根据本发明的一个或多个实施方案中的联接套筒结构采用的齿廓是否选自梯形、或曲线形、或任何其它适宜的和/或常规形态，可以认为由本文所述的聚氨酯弹性体成形的柔性联接套筒与端联接部件配合时会形成具有高度可靠性和耐久性的联轴节装置。根据本发明的各实施方案，用于套筒型柔性联轴节的联接套筒主要可由或唯一是由聚氨酯弹性体成形的，并可不采用附加增强构件例如抗张帘线或纤维包套这种结构，这是因为聚氨酯弹性体组合物本身就能作为联接套筒主要的或唯一的抗径向和剪切应力构件。
如上所述的聚氨酯/脲弹性体例证性地说明了通过根据本发明的各实施方案的上述各组分的反应形成的硬链段和软链段的组合。在本发明各实施方案中可通过对各组分的选择来促进相分离，不必采用催化剂和抗氧化剂，从而提高了热稳定性，并提高了最终弹性体组合物在高温和低温下的动态特性。然而技术熟练人员都知道，对不需耐高温和/或极端温度性能的应用场合来说，例如可对各种材料做出改变和替代。
虽然已对本发明进行了详细的说明，但大家都知道，在不违背权利要求书所限定的精神和范围的前提下，技术人员是可作各种变更的。本发明公开的内容可适宜地在没有任何未在本文中具体说明的构件下实施。
权利要求
1.一种用于套筒型柔性联轴节装置的联接套筒，该套筒包括具有内圆周面和外圆周面的通常为环状的筒体部分和两个各自规定联接接受部分的对向的套筒端部，所述联接接受部分各包括多个在联接套筒的至少部分内圆周面上每隔一定距离沿圆周排列、轴向延伸的齿状体，其特征在于所述环状体部分和所述联接接受部分中至少一个包含聚氨酯弹性体组合物。
2.权利要求1的联接套筒，其中所述聚氨酯弹性体组合物在运转的所述装置中为所述联接套筒承受至少大部分的径向应力或圆周剪切应力。
3.权利要求1的联接套筒，其中所述聚氨酯弹性体组合物包含下列(a)与(b)组分的反应产物(a)通过下列反应制得的多异氰酸酯预聚物组分，(i)选自下列的二异氰酸酯(A)具有紧密和对称结构的芳族二异氰酸酯，和(B)具有反式或反式，反式几何结构的脂族二异氰酸酯，(ii)选自下列的多羟基化合物(A)聚碳酸酯多羟基化合物，(B)聚酯多羟基化合物，和(C)任何两种或两种以上所述聚碳酸酯多羟基化合物与所述聚酯多羟基化合物的混合物，与(b)选自下列的扩链剂(i)对称伯二胺扩链剂，(ii)任何一种或多种所述对称伯二胺扩链剂与仲二胺扩链剂的混合物，和(iii)任何一种或多种所述对称伯二胺扩链剂与任何一种或多种所述多羟基化合物的混合物。
4.权利要求3的联接套筒，其中所述聚氨酯弹性体组合物中的异氰酸酯与胺或与胺/羟基的当量比范围为约0.90∶1-约1.40∶1。
5.权利要求3的联接套筒，其中所述聚氨酯弹性体组合物的多异氰酸酯预聚物中的异氰酸酯基团含量为约2.0％-约12.0重量％，其中所述多异氰酸酯预聚物组分中的NCO/OH比为约1.8∶1-约2.4∶1。
6.权利要求3的联接套筒，其中芳族二异氰酸酯选自(a)对亚苯基二异氰酸酯，(b)1，5-亚萘基二异氰酸酯，(c)2，6-甲苯二异氰酸酯，和(d)二苯基甲烷二异氰酸酯，其中所述脂族二异氰酸酯选自(a)反式-1，4-环己烷二异氰酸酯，和(b)反式，反式-4，4′-二环己基甲基二异氰酸酯。
7.权利要求3的联接套筒，其中多异氰酸酯预聚物的特征在于游离异氰酸酯单体的含量和预聚物中游离异氰酸酯的含量低于预聚物重量的约1重量％。
8.权利要求3的联接套筒，其中所述聚碳酸酯多羟基化合物是聚(碳酸亚己基酯)二醇或其液态衍生物；所述聚酯多羟基化合物选自聚己内酯二醇和聚(己二酸亚己基酯)二醇；以及所述多羟基化合物的分子量为约500-约5000。
9.权利要求3的联接套筒，其中所述对称伯二胺扩链剂的分子量为约90-约500，并选自(a)4，4′-亚甲基-双-(3-氯-2，6-二乙基苯胺)，(b)4，4′-亚甲基-双-(邻氯苯胺)，(c)4，4′-亚甲基-双-(2，3-二氯苯胺)，、(d)二对氨基苯甲酸三亚甲基二醇酯，(e)4，4′-亚甲基-双-(2，6-二乙基苯胺)，(f)4，4′-亚甲基-双-(2，6-二异丙基苯胺)，(g)4，4′-亚甲基-双-(2-甲基-6-异丙基苯胺)，以及(h)至少任何两种上述对称伯二胺扩链剂的组合，以及其中所述仲二胺扩链利选自(a)N，N′-二仲丁基氨基苯，和(b)N，N′-二仲丁基氨基二苯基甲烷。
10.权利要求1的联接套筒还包括至少一种选自配置在所述套筒状体内的抗张帘线、织物包套，以及每百份弹性体约1-约30份纤维的纤维填充物的织物增强材料。
11.权利要求1的联接套筒，其中所述齿状体与多个槽呈交替排列，每个槽在套筒状体内圆周面的一部分圆周上占有一定宽度，其中所述槽宽度的总和与所述齿宽度的总和之比小于0.65∶1。
12.权利要求1的联接套筒还包括在所述套筒体的外圆周面上至少一个扭矩指示装置。
13.权利要求13的联接套筒，其中所述扭矩指示装置是一个图形显示元件，该元件在静止的所述套筒状体的外圆周面上形成第一图形，当所述套筒状体的外圆周面表面变形时形成第二图形。
14.一种联轴节装置，包括权利要求1的联接套筒和至少一个与所述套筒的联接接受部分相联接的端联接部件，其中所述端联接部件包括一组轴向延伸的、与所述联接接受部分中所述齿状体呈互补形态的槽，以使端联接部件与联接接受部分相啮合。
15.一种联接组件，包括驱动轴、从动轴以及权利要求1的一般沿轴向运行联接该两个轴的联接套筒，并构成传动关系以在两轴间传送动力。
16.一种用于套筒型柔性联轴节装置的联接套筒，该套筒包括具有内圆周面和外圆周面的通常为环状的筒体部分和两个各自规定联接接受部分的对向的套筒端部，所述联接接受部分各包括多个在联接套筒的至少部分内圆周面上每隔一定距离沿圆周排列，轴向延伸的齿状体，其特征在于所述环状体部分和所述联接接受部分中至少一个包含聚氨酯弹性体组合物，该聚氨酯弹性体组合物包含下列(a)与(b)组分的反应产物(a)通过下列反应制得的多异氰酸酯预聚物组分，(i)选自下列的二异氰酸酯(A)PPDI和(B)t-CHDI，与(ii)选自下列的多羟基化合物(A)聚碳酸酯多羟基化合物，(B)聚己内酯多羟基化合物，(C)任何两种或两种以上所述聚碳酸酯多羟基化合物与所述聚酯多羟基化合物的混合物，其中所述多异氰酸酯预聚物的特征在于游离二异氰酸酯的含量和预聚物中游离二异氰酸酯的含量低于预聚物重量的约1重量％；与(b)选自下列的扩链剂(i)MCDEA，(ii)4，4′-亚甲基-双(2，6-二乙基苯胺)(iii)TMAB，和(iv)任何一种或多种所述扩链剂与任何一种或多种所述多羟基化合物的混合物，其中所述聚氨酯弹性体组合物中异氰酸酯与胺的当量比为约0.90∶1-约1.40∶1，所述多异氰酸酯预聚物中异氰酸酯基团的含量为约3％-约6重量％。
全文摘要
本文提供了一种包括具有中央环状部分的套筒型筒体和位于套筒两端部的联接接受部分的柔性联轴节套筒，以及装有这种套筒的联轴节装置。套筒的联接接受部分包括在内表面上沿轴向延伸的齿状体。该柔性联轴节套筒是由聚氨酯弹性体组合物成形的。
文档编号C08G18/42GK1968983SQ200580020300
公开日2007年5月23日 申请日期2005年5月20日 优先权日2004年5月20日
发明者A·J·克拉克, R·贝尔, J·R·小塔科, W·W·L·吴 申请人:盖茨公司